FPGA数字时钟（可暂停调数，含代码）
前言
前段时间刚刚开始初步学习FPGA相关知识，在学习了一段时间后，利用前面所学知识，写了一个数字时钟，顺便在这里写下总结，方便理解。
（本人小白一名，有错欢迎指出，欢迎探讨）
（我使用的开发板是Cyclone IV的EP4CE6F17C8，如有想测试实现效果的同学，可以把后面3-1到3-5对应代码 建文件，修改一下开发板型号以及引脚位置，进行测试。）
一.数码管原理
我使用的开发板拥有6个数码管（由位选信号控制每一位的亮灭），每个数码管都有8个小段（由段选信号控制对应小段显示，得到目标数字，其中7个控制数码管小段，还有1个控制小数点），由于时钟显示时，每个位置数字都变化不同，而我们的段选信号是控制6个数码管的8个小段同时呈现什么效果（意思就是6个数码管上显示的数字是一样的），要想实现每个位置数字看起来不一样，我们就需要利用视觉暂留现象，显示时候只能让其中一个位显示，其他位不显示，让数码管位选信号切换的足够快，也就是说数码管对应位由亮到灭需要的时候很短，人眼就无法分清此时此刻数码管状态，使人感觉数码管一直都亮着，且亮着的那一位是正确的数字，这样就能达到看起来，不同位置数字不同且都亮着的效果（也就是我们需要的数字时钟效果）。
二.模块原理图
有三个子模块和一个总的处理模块，其中三个子模块分别是key_debounce(消抖模块），count(计数时钟沿，计数1s模块），count2(计数20ms，控制位选信号跳转时间）。总模块count_clk负责处理输入的信号，有6个计数器，分别计数秒，分，时的个位，十位，还有对位选信号的处理和译码部分。
三.代码
这里我使用的计数方法是6个计数器分别计数时，分，秒的个位和十位，计数满了则使进位符置1，给到下一位，这个方法不需要进行取余取整操作，使用触发器资源较多，但节省组合逻辑资源。
3.1计数1s模块代码
module count(
input wire clk,
input wire rst_n,
input wire ok,
output reg flag1
);
reg[25:0] cnt;
//parameter MAX=24'd31250;//飞驰版54秒24小时 （上板时也可以使用这个，可以看到数码管显示很快）
parameter MAX=26'd50_000_000;//1s （上板时使用这个）
//parameter MAX=20'd1000_000;//测试 （modelsim时使用这个）
always@(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n)
begin
cnt<=26'd0;
flag1<=1'd0;
end
else if(cnt==MAX-1'd1)
begin
cnt<=26'd0;
flag1<=1'd1;
end
else if(ok)
begin
cnt<=cnt;
flag1<=1'd0;
end
else
begin
cnt<=cnt+1'd1;
flag1<=1'd0;
end
end
endmodule
3.2计数20ms模块代码
module count2(
input wire clk,
input wire rst_n,
output reg box
);
reg[19:0] cnt;
parameter MAX=20'd1_000_0;//20ms
always@(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n)
begin
cnt<=20'd0;
box<=1'd0;
end
else if(cnt==MAX-1'd1)
begin
cnt<=20'd0;
box<=1'd1;
end
else
begin
cnt<=cnt+1'd1;
box<=1'd0;
end
end
endmodule
3.3消抖模块代码（消抖方式是等待一定时间未动，则消抖成功）
module key_debounce(
input clk,
input rst_n,
input wire [2:0] key,
output reg ok,
output reg flag9,//改变暂停时数字
output reg flag10//控制数码管调整数字的位置
);
parameter MAX_TEN=21'd1000_000;//20ms
reg [20:0] delay_cnt;
reg [20:0] delay_cnt2;
reg [20:0] delay_cnt3;
reg value_key;
reg value_key2;
reg value_key3;
reg[0:0] flag8;
//reg[0:0] flag9;
//消抖模块
always@(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n)
begin
value_key<=1'd1;
delay_cnt<=MAX_TEN;
end
else
begin
value_key<=key[0];//取得一瞬间key值
if(value_key==!key[0])//如果抖动
begin
delay_cnt<=MAX_TEN;
end
else if(delay_cnt>1'd0&&value_key==1'd0)//当没有抖动时候，开始计数
begin
delay_cnt<=delay_cnt-1'd1;
end
else
begin
delay_cnt<=21'd0;
end
end
end
//消抖符号的处理
always@(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n)
begin
flag8<=1'd0;
end
else if(delay_cnt==21'd1&&value_key==1'd0)
begin
flag8<=1'd1;
end
else
begin
flag8<=1'd0;
end
end
//暂停标识符的转化
always@(posedge flag8)
begin
if(flag8 && !value_key)//按下消除抖动后才置1（没有松开）
begin
ok<=~ok;
end
end
//消抖模块(按键三的消抖）
always@(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n)
begin
value_key2<=1'd1;
delay_cnt2<=MAX_TEN;
end
else
begin
value_key2<=key[1];//取得一瞬间key值(寄存器存储key值)
if(value_key2==!key[1])//如果抖动
begin
delay_cnt2<=MAX_TEN;
end
else if(delay_cnt2>1'd0&&value_key2==1'd0)//当没有抖动时候，开始计数
begin
delay_cnt2<=delay_cnt2-1'd1;
end
else
begin
delay_cnt2<=21'd0;
end
end
end
//消抖符号的处理
always@(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n)
begin
flag9<=1'd0;
end
else if(delay_cnt2==21'd1&&value_key2==1'd0)
begin
flag9<=1'd1;//表示按键按下了一次并未松开，且抖动已经消除了
end
else
begin
flag9<=1'd0;
end
end
//消抖模块(按键四的消抖)
always@(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n)
begin
value_key3<=1'd1;
delay_cnt3<=MAX_TEN;//这里其实可以去掉，就不用给后面加东西了
end
else
begin
value_key3<=key[2];//取得一瞬间key值
if(value_key3==!key[2])//如果抖动
begin
delay_cnt3<=MAX_TEN;
end
else if(delay_cnt3>1'd0&&value_key3==1'd0)//当没有抖动时候，开始计数
begin
delay_cnt3<=delay_cnt3-1'd1;
end
else
begin
delay_cnt3<=21'd0;
end
end
end
//消抖符号的处理
always@(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n)
begin
flag10<=1'd0;
end
else if(delay_cnt3==21'd1&&value_key3==1'd0)//注意（当复位后，置了MAX值，所以会导致计数一次（此时没有抖动），会造成flag10跟flag9置1一次，进而导致暂停时候复位，会让调数的位置默认加一和数字默认加一）
begin
flag10<=1'd1;//表示按键按下了一次并松开，且抖动已经消除了
end
else
begin
flag10<=1'd0;
end
end
//加一标识符的转变
//always@(posedge flag9)
//begin
// if(flag9 && !value_key2)
// begin
// ok2<=~ok2;
// end
//end
endmodule
3.4数码管计数显示模块
module count_clk(
input wire clk,
input wire rst_n,
input wire flag1,//计数满1s
//input wire key,//为1时，表示无效，没被按下
input wire box,//控制位选跳转（流水灯）
input wire flag9,
input wire flag10,
input wire ok,
output reg[5:0] sel,
output reg[7:0] seg
);
reg [2:0] sum=3'd0;//计数控制调哪个位置的数字
reg [4:0] s_a;//秒的个位
reg [3:0] s_b;//秒的十位
reg [4:0] m_a;//分的个位
reg [3:0] m_b;//分的十位
reg [4:0] t_a;//时的个位
reg [2:0] t_b;//时的十位
reg [0:0] flag2 = 0;//秒的个位进位标识符
reg [0:0] flag3 = 0;//秒的十位进位标识符
reg [0:0] flag4 = 0;//分的个位进位标识符
reg [0:0] flag5 = 0;//分的十位进位标识符
reg [0:0] flag6 = 0;//时的个位进位标识符
reg [0:0] flag7 = 0;//时的十位进位标识符
reg [0:0] clear =0;//计数满了清零符
always@(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n)
sum<=3'd0;
else if(flag10)
begin
if(sum<3'd5)
begin
sum<=sum+1'd1;
end
else
begin
sum<=3'd0;
end
end
else
sum<=sum;
end
//秒的个位计数(暂停采用的止住flag进位，而不是采用禁用另一个计数模块的clk) (已经改成clk暂停了)
always@(posedge clk or negedge rst_n )
begin
if(!rst_n)
begin
s_a<=5'd0;
flag2<=1'd0;
end
else if(flag1)
begin
if(s_a<5'd9)
begin
s_a<=s_a+1'd1;
flag2<=1'd0;
end
else
begin
s_a<=5'd0;
flag2<=1'd1;
end
end
else if(flag9)
begin
if(ok==1'd1&&sum==3'd0)
begin
if(s_a<5'd9)
begin
s_a<=s_a+1'd1;
end
else
begin
s_a<=5'd0;
end
end
end
else
begin
s_a<=s_a;
flag2<=1'd0;//因为改成clk触发了，触发频率变大，如果不是设置置零，则会在下一个always语句中，多次触发flag2为1 的情况，疯狂计数(最开始写法为flagx触发时候，没有考虑到这种情况，现在改为clk，则需要考虑到不进位时clk上升沿来了触发的情况)
end
end
//秒的十位计数
always@(posedge clk or negedge rst_n )
begin
if(!rst_n)
begin
s_b<=3'd0;
flag3<=1'd0;
end
else if(flag2)
begin
if(s_b<3'd5)
begin
s_b<=s_b+1'd1;
flag3<=1'd0;
end
else
begin
s_b<=3'd0;
flag3<=1'd1;
end
end
else if(flag9)
begin
if(ok==1'd1&&sum==3'd1)
begin
if(s_b<3'd5)
begin
s_b<=s_b+1'd1;
end
else
begin
s_b<=3'd0;
end
end
end
else
begin
flag3<=1'd0;
s_b<=s_b;
end
end
//分的个位计数
always@(posedge clk or negedge rst_n )
begin
if(!rst_n)
begin
m_a<=4'd0;
flag4<=1'd0;
end
else if(flag3)
begin
if(m_a<4'd9)
begin
m_a<=m_a+1'd1;
flag4<=1'd0;
end
else
begin
m_a<=4'd0;
flag4<=1'd1;
end
end
else if(flag9)
begin
if(ok==1'd1&&sum==3'd2)
begin
if(m_a<4'd9)
begin
m_a<=m_a+1'd1;
end
else
begin
m_a<=4'd0;
end
end
end
else
begin
m_a<=m_a;
flag4<=1'd0;
end
end
//分的十位计数
always@(posedge clk or negedge rst_n )
begin
if(!rst_n)
begin
m_b<=3'd0;
flag5<=1'd0;
end
else if(flag4)
begin
if(m_b<3'd5)
begin
m_b<=m_b+1'd1;
flag5<=1'd0;
end
else
begin
m_b<=3'd0;
flag5<=1'd1;
end
end
else if(flag9)
begin
if(ok==1'd1&&sum==3'd3)
begin
if(m_b<3'd5)
begin
m_b<=m_b+1'd1;
end
else
begin
m_b<=3'd0;
end
end
end
else
begin
m_b<=m_b;
flag5<=1'd0;
end
end
//时的个位计数
always@(posedge clk or negedge rst_n )
begin
if(!rst_n)
begin
t_a<=4'd0;
flag6<=1'd0;
end
else if(flag5)
begin
if(t_a==4'd9)
begin
t_a<=4'd0;
flag6<=1'd1;
end
else if(t_a==4'd3&&t_b==2'd2)
begin
t_a<=4'd0;
clear<=1'd1;//传递给下一位使其判断清零的符号。
flag6<=1'd1;
end
else
begin
t_a<=t_a+1'd1;
flag6<=1'd0;
clear<=1'd0;
end
end
else if(flag9)
begin
if(ok==1'd1&&sum==3'd4)
begin
if(t_a<4'd9&&t_b!=2'd2)
begin
t_a<=t_a+1'd1;
end
else if(t_b==2'd2)
begin
if(t_a<4'd3)
t_a<=t_a+1'd1;
else
t_a<=4'd0;
end
else
begin
t_a<=4'd0;
end
end
end
else
begin
t_a<=t_a;
flag6<=1'd0;
end
end
//时的十位计数(已设置满23：59：59自动清零）
always@(posedge clk or negedge rst_n )//?不能加第二个（or posedge clear）加了会导致个位跟十位显示相同，小数点都相同
begin
if(!rst_n)
begin
t_b<=2'd0;
end
else if(flag6)//flag6表示进位，也可以代表清零。
begin
if(clear)
begin
t_b<=2'd0;
end
else
t_b<=t_b+1'd1;
end
else if(flag9)
begin
if(ok==1'd1&&sum==3'd5)
begin
if(t_b<2'd2)
begin
t_b<=t_b+1'd1;
end
else
begin
t_b<=2'd0;
end
end
end
else
begin
t_b<=t_b;
end
end
//位选流水灯（实现快速闪烁每一个数码管形成残影，造成时钟现象）
always@(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n)
begin
sel<=6'b111_110;
end
else if(box)
begin
sel<={sel[4:0],sel[5]};
end
else
begin
sel<=sel;
end
end
//译码模块
always@(sel)
begin
if(sel==6'b111110)
begin
case(s_a)
4'd0:seg=8'b11000000;
4'd1:seg=8'b11111001;
4'd2:seg=8'b10100100;
4'd3:seg=8'b10110000;
4'd4:seg=8'b10011001;
4'd5:seg=8'b10010010;
4'd6:seg=8'b10000010;
4'd7:seg=8'b11111000;
4'd8:seg=8'b10000000;
4'd9:seg=8'b10010000;
default:;
endcase
end
else if(sel==6'b111101)
begin
case(s_b)
3'd0:seg=8'b11000000;
3'd1:seg=8'b11111001;
3'd2:seg=8'b10100100;
3'd3:seg=8'b10110000;
3'd4:seg=8'b10011001;
3'd5:seg=8'b10010010;
default:;
endcase
end
else if(sel==6'b111011)
begin
case(m_a)
4'd0:seg=8'b01000000;
4'd1:seg=8'b01111001;
4'd2:seg=8'b00100100;
4'd3:seg=8'b00110000;
4'd4:seg=8'b00011001;
4'd5:seg=8'b00010010;
4'd6:seg=8'b00000010;
4'd7:seg=8'b01111000;
4'd8:seg=8'b00000000;
4'd9:seg=8'b00010000;
default:;
endcase
end
else if(sel==6'b110111)
begin
case(m_b)
3'd0:seg=8'b11000000;
3'd1:seg=8'b11111001;
3'd2:seg=8'b10100100;
3'd3:seg=8'b10110000;
3'd4:seg=8'b10011001;
3'd5:seg=8'b10010010;
default:;
endcase
end
else if(sel==6'b101111)
begin
case(t_a)
4'd0:seg=8'b01000000;
4'd1:seg=8'b01111001;
4'd2:seg=8'b00100100;
4'd3:seg=8'b00110000;
4'd4:seg=8'b00011001;
4'd5:seg=8'b00010010;
4'd6:seg=8'b00000010;
4'd7:seg=8'b01111000;
4'd8:seg=8'b00000000;
4'd9:seg=8'b00010000;
default:;
endcase
end
else if(sel==6'b011111)
begin
case(t_b)
2'd0:seg=8'b11000000;
2'd1:seg=8'b11111001;
2'd2:seg=8'b10100100;
default:;
endcase
end
end
endmodule
3.5顶层模块
module top_count_clk(
input clk,
input rst_n,
input [2:0] key,
output [5:0] sel,
output [7:0] seg
);
wire flag1;
wire box;
wire ok;
wire flag9;
wire flag10;
count u_count(
.clk(clk),
.rst_n(rst_n),
.flag1(flag1),
.ok(ok)
);
count2 u_count2(
.clk(clk),
.rst_n(rst_n),
.box(box)
);
count_clk u_count_clk(
.clk(clk),
.rst_n(rst_n),
.sel(sel),
.seg(seg),
.flag1(flag1),
.box(box),//位选信号例化
.flag9(flag9),
.flag10(flag10),
.ok(ok)
);
key_debounce u_key_debounce(
.clk(clk),
.rst_n(rst_n),
.key(key),
.ok(ok),
.flag9(flag9),
.flag10(flag10)
);
endmodule3.6测试文件（做仿真时候，需要改一下对应模块参数）
`timescale 1ns/1ps
module top_count_clk_tb();
reg clk;
reg rst_n;
wire [5:0] sel;
wire [7:0] seg;
parameter CYCLE=20;
always#(CYCLE/2) clk=~clk;
initial begin
clk=1'd0;
rst_n=1'd0;
#(CYCLE);
rst_n=1'd1;
//#(CYCLE*20'd1000_000*17'd86400); //对应上面1s计数模块中的仿真参数
#(CYCLE*17'd31250*17'd86400); //对应1s计数中的飞驰人生版本parameter
$stop;
end
top_count_clk u_top_count_clk(
.clk(clk),
.rst_n(rst_n),
.sel(sel),
.seg(seg)
);
endmodule
四.理解总结
上板使用说明：这个实验设置了四个按键，分别是key0（复位按键），key1（暂停按键），key2控制我们进行调数的位数（也就是让我们选择调数字时钟的哪一位），key3则是直接的控制我们调的位的数（按一下加一）。
注:调数功能只能在暂停状态下进行，可在暂停时候进行复位功能。
做实验过程中遇到的问题：
1. 在做好时钟后，想要加入调数功能，结果发现多一个按键需要加入always语句中，因为不能在多个地方给同一个参数赋值，所以这个地方卡了很久，最后只能把posedge flag改为了时钟上升沿触发，但因此在调试过程中，忽略了一个东西，clk上升沿触发的频率比flag触发的次数多非常多，最初的flag一层一层触发，没出现这个问题，是因为对应flag5置零（在上一个flag4来之前），不会进入always语句，影响flag5进位符号对应的位置显示，所以我在每一个always语句后面加了一个else来置零对应flag（这样每次clk触发进入，就能让flag发挥用处后及时置零，不会持续让下一位进位）。
2. 遇到的第二个问题是，消抖模块没写完整，忽略了复位情况下，把cnt置MAX了，所以会默认触发一次flag9和flag10（不知道为什么暂停消抖部分没受影响），进而导致了暂停时候复位，会看到00：00:10的效果，解决方法也很简单，要么把复位的cnt置MAX删掉，要么后面加上判断，使之不能把复位判断成一次按键按下，这样就能解决这个问题了）
后来我看了下：重新梳理一遍，当按下第二个键，再次取消暂停时，其他键也抖动了，且按下时，cnt又置MAX了，
结果时钟沿到来，没判定第一个if语句，直接第二个语句，value_key 直接取了key的瞬时值
又因为按下暂停时，其他键很可能也抖动了，所以就会导致某位计数（？)，直到计数为21’d1，然后看下一个图：
此时clk来了又判断key的瞬时值，就阴差阳错把flag9置1了，flag10同理，结果就导致了我暂停时候复位了，在取消暂停，结果数码管显示的00：00：10。
（注：代码截图是已经改过了的代码，错误已经纠正，前面出现问题的时候忘记截图了，时间久了想不起来具体怎么改的，下次写复位注意多考虑清楚时序关系！）
3. 有机会可以加个谱子，加个到时间自动放音乐。